JP4771637B2 - ディジタル相関の方法及び装置 - Google Patents
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Description
(技術分野)
本発明は、ディジタル相関の方法、及びディジタル相関用のコンピュータプログラム、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体、及び装置に関するものである。
【0002】
(従来技術)
2つのディジタル信号を相関させる必要は、多くの応用で生じる。例えば、全地球測位システム(GPS)を含めたCDMA型の受信機では、擬似乱数雑音符号(PRN)と内部的に発生した複製PRN符号との間の符号位相誤差を測定して、その後にCDMA信号を取得して追跡するために、これら2つの符号を相関させる必要がある。
【0003】
こうした信号は1ビット、1.5ビット、2ビット、あるいはそれ以上のビット形式で表現することができる。しかし、より多くのビットを使用するにつれて回路がより複雑になり、ソフトウエアで実現する場合には、信号を処理するために、より大きなマイクロプロセッサのパワーが必要になる。既知のディジタル相関方法は、とりわけ米国特許第4507748号、第4593378号、第5239496号、及び第5305245号に開示されている。
【0004】
本発明の目的は、ディジタル相関の有効な代替方法を提供することにある。
【0005】
(発明の開示)
本発明は、第1信号と第2ディジタル信号が共に一連の数値データ値を含む際に、これらの信号を相関させる方法、及びこの方法を実行するための処理手段を有する装置を提供するものであり、この方法は、
(a) 前記第1ディジタル信号と前記第2ディジタル信号との、対応する数値データ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと;
(b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏っていれば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい値レベル間に戻すステップと;
(c) 相関パラメータを、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限しきい値の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップと
を具えている。
こうした方法は、ディジタル相関の有効な代替方法を提供するものである。
【0006】
好適例では、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っているか、あるいは前記下限しきい値レベルの下に偏っているかに応じて、前記相関パラメータが増加または減少のいずれかをする。
【0007】
こうした方法では、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っている際に1だけ増加し、前記累積和が前記下限しきい値レベルの下に偏っている際に1だけ減少するカウンタとして、前記相関パラメータを好都合に作成することができる。
【0008】
前記累積和をレジスタに記憶する場合には、このレジスタのアンダーフローまたはオーバフローのいずれをも許容することによって、前記ステップ(b)を実行することができる。これは簡略化した処理アーキテクチャを用いて行うことができる。
【0009】
前記第1信号を、第3信号のより低ビットの表現とするか、あるいはまた、アナログ信号の低ビット表現として、処理をさらに簡略化することができる。
【0010】
また本発明によれば、目標擬似乱数雑音符号を含む主信号を受信する受信手段と、前記目標符号に対応する前及び後の複製符号信号を発生して、前記主信号と、これらの前及び後の複製符号信号とを相関させて、前及び後の相関値をそれぞれ戻して、前記目標符号を取得したか否かを特定する符号位相識別子を計算するための処理手段とを具えたGPS受信機において、前記主信号と前記前及び後の複製符号信号との間の相関を、次のステップ:
(a) 前記主信号と前記前及び後信号との、対応する数値データ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと;
(b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏っていれば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい値レベル間に戻すステップと;
(c) 前及び後の相関値を、前記累積和の、前記上限及び下限しきい値の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップと
で実行するGPS受信機を提供することもできる。
【0011】
主信号を、目標符号によって変調した搬送波信号として受信する場合には、この方法はさらに、主信号の同相成分(I)及び直角位相成分(Q)を作成するステップを具えることができ、ここで、これらのI及びQ成分の各々を、前記前(E)及び後(L)の複製符号信号と相関させて、それぞれIE、IL、QE、及びQLの各相関値を作成し、そして符号位相識別子を、IE、IL、QE、及びQLの関数として計算する。
【0012】
これにより、搬送波の位相同期が正確でない環境において、拡張符号位相相関を作成することができる。
【0013】
理想的には、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っているか、あるいは前記下限しきい値レベルの下に偏っているに応じて、前記前(E)及び後(L)相関値が増加または減少のいずれかをする。こうした状況では、前記前(E)及び後(L)相関値をカウンタにすることができ、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っている際にはこのカウンタが1だけ増加し、前記累積和が前記下限しきい値レベルの下に偏っている際にはこのカウンタが1だけ減少する。
【0014】
前記累積和をレジスタに記憶させる場合には、このレジスタのアンダーフローまたはオーバフローのいずれも許容することによって、前記ステップ(b)を実行することができる。
【0015】
(発明を実施するための最良の形態)
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図1A〜図1Eには、2つの信号についての相関の方法を示し、両信号とも20×2.5ビットのデータ単位から構成される一連の数値データで表現される。図1Aの曲線10で表わす、サンプリングしたサイン波に相当する第1基準信号が供給されている。この信号を、図1Bの曲線11で表わす第2信号と相関させる。両信号のそれぞれが、2及び−2の最大値及び最小値を有する。
【0016】
この方法によれば、第1及び第2ディジタル信号の対応するデータ値どうしを乗算して、その結果は図1Cに示すようになる。上述のものと同じビット表現を有する第1及び第2信号についての理論的な最大値及び最小値はそれぞれ4及び−4であるが、図1A及び図1Bの第1及び第2信号については、最大値及び最小値がそれぞれ4及び−2であり、ある程度の相関が見られる。
【0017】
図1Dの曲線13で表わす、これらの積の修正した累積和を作成し、ここでは累積和が4を超えるかあるいは−4未満である場合には、この累積和をそれぞれ4だけ減少するか、あるいは4だけ増加する。
【0018】
図1Eに示す論理型の戻り値を作成し、ここで前記累積和を4だけ減少している場合には1を戻し、前記累積和を4だけ増加している場合には−1を戻し、前記累積和を修正していない場合はゼロを戻す。そして相関パラメータを、前記論理型の戻り値の総和として作成し、この論理型の戻り値は、図1A及び図1Bに示す信号を用いれば7に等しくなる。
【0019】
信号毎及び計算段階毎の個々の値を以下の表1に示す。ここで(*)は、前記累積和を修正して、この総和を、それぞれ4及び−4の上限及び下限しきい値の間に戻していることを表わす。
【表1】
【0020】
こうして上述した例では、サイン波の2.5ビット表現、及び前記積の最大と最小がそれぞれ4と−4であり、かつ前記累積和の上限と下限しきい値がそれぞれ4と−4である信号表現については、論理出力の総計が7になる。これは、真の総計7.5に相当し、即ち未修正の全累積和(30)を前記しきい値(4)で割った値に等しい。
【0021】
図2に、上述した方法を実現可能なコンピュータシステム21を図式的に示す。このコンピュータシステムは、中央処理装置(CPU)23を有するプロセッサ22と、ランダムアクセスメモリ(RAM)24とを具えている。このコンピュータシステムはさらに、ディスプレイ25、キーボード26、マウス27、及びフロッピー(R)ディスク駆動装置28を具え、これらのすべてが既知の方法でプロセッサに結合されている。フロッピー(R)ディスク駆動装置29には、本発明による方法を実行する命令から構成されるコンピュータプログラムを記憶したフロッピー(R)ディスク29を用意する。あるいはまた、電子装置におけるROMのように、コンピュータで読み取り可能な他種の記憶媒体及び対応するハードウエアを用いることもできる。
【0022】
こうしたコンピュータシステム21での本発明による方法の実現は、適切なコンピュータプログラミング及び構成、あるいは両者の組合わせによって、ハードウエア、ソフトウエアで直ちに達成することができる。もちろん、こうしたプログラミング及び構成は周知であり、通常の当業者が過度の負担なしに達成することができる。
【0023】
前述したようにGPS受信機では、2つのディジタル信号を相関させる必要が生じ、ここでは、これら2つの信号間の符号位相誤差を特定してその後にGPS信号を取得して追跡するために、擬似乱数雑音符号(PRN)を含む入力GPS信号を内部的に発生した複製PRN符号と相関させる。これを実現するためのGPS、方法及び装置のもとになる一般原理は既知である。例えば、編集者Kaplan、"GPS Principles and Applications"、ISBN 0-89006-793-7、Artech House発行があり、以下これを"Kaplan"と称する。
【0024】
周知のように、各NAVSTAR GPS衛星が2つの周波数の搬送波を送信し、これらは1次周波数1575.42MHzのL1、及び2次周波数1227.60MHzのL2である。これらの周波数の搬送波を、衛星毎に一意のPRN列を有するスペクトラム拡散符号によって変調し、またナビゲーションデータメッセージによっても変調する。L1信号はコース/取得(C/A)符号及び精密(P[Y])符号の両者によって変調するが、L2信号はP[Y]符号のみによって変調する。P[Y]符号は主に軍事ユーザ用及び特に必要な諸官庁のユーザ用の精密測位サービス(PPS)に関係するが、C/Aは現在無制約でアクセスされている標準測位サービス(SPS)に関係する。
【0025】
図3に、本発明による方法を用いたGPS受信機を図式的に示す。アンテナ30によってSPS、GPS信号を受信して、これらをプリプロセッサ(前処理器)31によって前処理し、これは通常、帯域外のRF干渉を最小化するための受動型帯域通過フィルタリング、前段増幅、中間周波数(IF)へのダウンコンバーティング、及びアナログ−ディジタル変換を行う。結果的なディジタル化したIF信号は変調されたままであり、利用可能な衛星からのすべての情報をまだ含んでおり、この信号を12の並列受信チャネル32(図4にはこうしたチャネルの1つを示す)に供給する。それぞれのディジタル受信チャネルでは、ナビゲーション情報の取得目的用の受信プロセッサ33と協働して、衛星信号を取得して追跡する。取得及び追跡用のこうした方法は周知であり、例えばKaplanの第4章(GPS Satellite signal characteristics)及び第5章(GPS satellite signal acquisition and tracking)にある。
【0026】
取得したナビゲーション情報及び送信の到着の時間を用いて、ナビゲーションプロセッサ34は、慣例のアルゴリズムを用いて受信機の位置を計算して、この位置をディスプレイ35上に、ユーザに向けて表示する。
【0027】
プリプロセッサ31は通常、ディジタル受信チャネル32を有するフロントエンドのアナログ回路の形態で実現し、受信プロセッサ33及びナビゲーションプロセッサ34は、汎用マイクロプロセッサまたはGPS用途向け集積回路(ASIC)内に埋め込んだマイクロプロセッサによって実現する。
【0028】
図4に、受信プロセッサと協働する受信チャネルを詳細に示す。入力信号上の情報を検索するためには搬送波(CW)を除去しなければならず、このことは、搬送波発生器41を用いて同相(I)及び直角位相(Q)の複製搬送波信号を発生する受信機によって行う。この複製搬送波は受信信号と同一周波数を有することが理想的であるが、受信機と軌道衛星との間の相対移動によって発生するドップラーシフトのために、受信機で受信されるGPS信号の周波数は通常、正確な衛星送信周波数とは異なる。受信した搬送波の周波数を正確に複製するために、慣例の搬送波位相同期ループ(PLL)を採用することができる。搬送波のドップラーシフト、及び符号位相識別子へのドップラーシフト関連の影響はかなり小さいので、望ましくはないが、搬送波位相同期ループ段を完全に省略することが可能である。
【0029】
符号位相同期を獲得するために、符号発生器42によって、PRN列の前(E)、即時(P)、及び後の複製符号を、受信した搬送波(即ち正のドップラー)に関連する周波数で連続的に発生する。次に本発明による方法を用いて、この複製符号をI及びQ信号と相関させて、通常、積分器43でのPRN符号のほぼ全体にわたる積分によって、3つの同相相関成分(IE、IL、IP)及び3つの直角位相相関成分(QE、QL、QP)を生成する。
【0030】
この相関の方法は、
まず、主信号と前及び後信号との、対応する数値データ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと、
次に、前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏っていれば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい値レベル間に戻すステップと、
最後に、前及び後の相関値を、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限しきい値の間からの偏りの発生回数のカウンタとして作成するステップとを具え、前記累積和が前記上限しきい値レベルの上に偏っている際にはこのカウンタが1だけ増加し、前記累積和が前記下限しきい値レベルの下に偏っている際にはこのカウンタが1だけ減少する。
【0031】
受信プロセッサ44では、式1により符号位相識別子を計算する。
CPD=Σ(IE+QE)2−Σ(IL+QL)2 (式1)
ここでは、目標符号のほぼ全体にわたって総計を行う。
次に、符号位相識別子に対してしきい値テスト(判定)を行い、符号位相識別子がハイである場合には位相整合を宣言する。ハイでない場合には、符号発生器が、単一チップだけ位相を進めた次の一連の複製を発生して、符号位相識別子を再計算する。いずれの位相整合の宣言も識別子を再計算することによって有効になる。線形位相の掃引により結局、入力PRN符号が内部的に発生した複製の符号に同期して、これにより符号が取得される。
【0032】
さらに、本発明の教示が、前述したコンピュータシステムまたはGPS受信機だけでなく、処理手段を具えた他の種類の装置にも当てはまることは当業者にとって明らかである。例えば、独立した相関装置内のディジタル論理回路を用いて本発明を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1A〜図1Eは、本発明による方法を示す図である。
【図2】 図1A〜図1Eに示す方法を実現可能なコンピュータシステムを図式的に示す図である。
【図3】 本発明による方法を用いたGPS受信機を図式的に示す図である。
【図4】 図3のGPS受信機の受信チャネル及び受信プロセッサを詳細に示す図である。
Claims (15)
- 共に一連の数値データ値を含む第1及び第2ディジタル信号を相関させる方法において、
(a) 前記第1ディジタル信号と前記第2ディジタル信号との、対応する数値データ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと;
(b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏っていれば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい値レベル間に戻すステップと;
(c) 相関パラメータを、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限しきい値の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップと
を具えていることを特徴とする相関方法。 - 前記累積和が前記上限しきい値の上に偏っているか、あるいは前記下限しきい値の下に偏っているかに応じて、前記相関パラメータが増加または減少のいずれかをすることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記相関パラメータをカウンタとして、前記累積和が前記上限しきい値の上に偏っている際には該カウンタが1だけ増加し、前記累積和が前記下限しきい値の下に偏っている際には該カウンタが1だけ減少するようにしたことを特徴とする請求項2に記載の方法。
- 前記累積和をレジスタに記憶して、該レジスタのオーバフローまたはアンダーフローのいずれをも許容することによって、前記ステップ(b)を実行するようにしたことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第1信号が、第3ディジタル信号のビット縮小表現であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第1信号が、アナログ信号の低ビット表現であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 請求項1〜請求項6のいずれかに記載の方法を実行するための命令を具えていることを特徴とするコンピュータプログラム。
- 請求項7に記載のコンピュータプログラムを記憶していることを特徴とするコンピュータで読み取り可能な記憶媒体。
- 請求項8に記載のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体を具えていることを特徴とする電子装置。
- 請求項1〜請求項6のいずれかに記載の方法を実行するための処理手段を有することを特徴とする装置。
- 目標擬似乱数雑音符号を含む主信号を受信する受信手段と、前記目標符号に対応する前及び後の複製符号信号を発生して、前記主信号を前記前及び後の複製符号信号と相関させて、それぞれ前及び後の相関値を戻し、前記目標符号を取得したか否かを特定する符号位相識別子を計算する処理手段とを具えたGPS受信機において、
前記主信号と前記前及び後の複製符号信号との相関を、
(a) 前記主信号と前記前及び後信号との、対応する数値データ値どうしの積を順次計算して、その累積和を作成するステップと;
(b) 前記累積和が上限しきい値レベルと下限しきい値レベルの間から偏っていれば、前記累積和を所定量だけ増加または減少させて、前記累積和を前記しきい値レベル間に戻すステップと;
(c) 前及び後の相関値を、前記累積和の、前記上限しきい値と前記下限しきい値の間からの偏りの発生回数の関数として作成するステップと
によって行うことを特徴とするGPS受信機。 - 前記主信号の同相(I)及び直角位相(Q)成分を作成して、該同相及び直角位相成分の各々を前記前(E)及び後(L)の複製符号信号と相関させて、それぞれ相関値I E 、I L 、Q E 、及びQ L を作成して、前記符号位相識別子をI E 、I L 、Q E 及びQ L の関数として計算することを特徴とする請求項11に記載のGPS受信機。
- 前記累積和が前記上限しきい値の上に偏っているか、あるいは前記下限しきい値の下に偏っているかに応じて、前記前及び後の相関値が増加または減少のいずれかをすることを特徴とする請求項11または請求項12に記載のGPS受信機。
- 前記前及び後の相関値をカウンタとして、前記累積和が前記上限しきい値の上に偏っている際には該カウンタが1だけ増加し、前記累積和が前記下限しきい値の下に偏っている際には該カウンタが1だけ減少するようにしたことを特徴とする請求項13に記載のGPS受信機。
- 前記累積和をレジスタに記憶して、該レジスタのオーバフローまたはアンダーフローのいずれも許容することによって、前記ステップ(b)を実行するようにしたことを特徴とする請求項11〜請求項14のいずれかに記載のGPS受信機。
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